腐植酸在推動(dòng)我國肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)的作用和地位

PAGEPAGE8辦公：南寧市新民路3號(hào)永嘉大廈13樓 電話/傳真2619768工廠：廣西上林縣白圩工業(yè)區(qū) 網(wǎng)址：腐植酸在推動(dòng)我國肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)中的重要作用和地位趙秉強(qiáng)林治安劉增兵（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所北京100081）摘要：探討了我國肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，提出了肥料產(chǎn)業(yè)實(shí)施“質(zhì)量代替數(shù)量”推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)的發(fā)展道路，分析了我國腐植酸的資源特點(diǎn)、綜合評(píng)述了腐植酸在調(diào)控肥效以及提高肥料養(yǎng)分利用率中的作用原理，展望了腐植酸在促進(jìn)我國肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)中的重要作用和地位關(guān)鍵詞：腐植酸肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)1、質(zhì)量代替數(shù)量發(fā)展是中國肥料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的道路肥料投入占農(nóng)業(yè)全部物資投入的一半。綜觀國內(nèi)外研究結(jié)果，20世紀(jì)糧食單產(chǎn)的1/2、總產(chǎn)的1/3來自化肥的貢獻(xiàn)。如果停止施用化肥，全球作物產(chǎn)量將立減50%。肥料是保障糧食安全的戰(zhàn)略物資。中國占世界10%的耕地消費(fèi)了世界1/3的肥料，單位面積施肥量是世界平均施肥量的3倍。據(jù)預(yù)測(cè)，我國2030年化肥需求量在6600萬噸以上，比21世紀(jì)初每年再增加2500萬噸化肥供應(yīng)量，國家需增加投資約1500億元，每年多耗費(fèi)外匯15億美元，農(nóng)民購買化肥需增加1000億元開支，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)所付代價(jià)十分巨大。2030年要使全國1億公頃耕地平均施肥水平達(dá)660千克/公頃，是很難達(dá)到的，也是土壤、環(huán)境所難以承受的【1】。未來肥料研究的終點(diǎn)應(yīng)該是如何提高效率與利用率，而不是繼續(xù)大幅度提高施肥水平。多月，更新觀念，打破傳統(tǒng)，力爭(zhēng)在未來30年，我國肥料產(chǎn)業(yè)實(shí)施質(zhì)量代替數(shù)量發(fā)展戰(zhàn)略，化肥供應(yīng)量力爭(zhēng)控制在5000萬噸以內(nèi)，在不增加或少量增加化肥用量的前提下，提高化肥利用效率，保證我國的糧食安全。2、提高養(yǎng)分利用率是我國肥料產(chǎn)業(yè)質(zhì)量代替數(shù)量發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)化學(xué)肥料的產(chǎn)生和推廣應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)、發(fā)展和保障人類糧食安全奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，化肥的低利用率和由此帶來的高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，一直是困擾全球的重大問題。世界各國都在積極探索提高肥料利用率、遏止環(huán)境污染的方法和途徑。20世紀(jì)以來，世界現(xiàn)代肥料產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了3次變革：20世紀(jì)60年代之前，主要生產(chǎn)單質(zhì)低濃度化肥；60至80年代，發(fā)達(dá)國家發(fā)展高濃度化肥和復(fù)合肥；最近20年，以改善化肥養(yǎng)分釋放特性為主要特征的化肥創(chuàng)新研究成為肥料研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。2.1肥料養(yǎng)分釋放模式改性增效以肥料養(yǎng)分的緩釋、控釋作為改性增效的重點(diǎn)，研制緩釋、控釋肥料。緩/控釋肥料最大的特點(diǎn)是力求做到養(yǎng)分釋放和供應(yīng)與作物吸收同步，簡(jiǎn)化施肥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次性施肥滿足作物整個(gè)生長期的需要，肥料損失少，利用率高，環(huán)境友好。世界各國都逐漸認(rèn)識(shí)到提高肥料利用率的最有效措施之一是研制新型緩/控釋肥料。20世紀(jì)80年代以來，每個(gè)、日本、歐洲、以色列等發(fā)達(dá)國家將研制緩/控釋肥料作為提高肥料利用率的重要途徑，力求從改變化肥自身的特性來大幅度提高肥料利用率。緩/控釋肥料被譽(yù)為是21世紀(jì)肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。2.2肥料養(yǎng)分復(fù)合（混）改性增效2.2.1復(fù)合（混）肥料20世紀(jì)60年代以來，發(fā)達(dá)國家非常重視研究和發(fā)展復(fù)合（混）肥料，復(fù)合（混）肥料所占比重反映了一個(gè)國家化肥工業(yè)的技術(shù)水平，復(fù)合（混）肥料的發(fā)展已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家化肥工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。發(fā)達(dá)國家復(fù)合（混）肥料中氮、磷、鉀陽光消費(fèi)量占到總量的70%~80%，而我國只有30%。我國的肥料用量占世界第一位，肥料市場(chǎng)一直是發(fā)達(dá)國家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。開展復(fù)合（混）肥料技術(shù)研究，促進(jìn)肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)和增強(qiáng)國際競(jìng)爭(zhēng)力，是當(dāng)前推動(dòng)我國肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方面。目前，復(fù)合（混）肥料生產(chǎn)中，不僅N、P、K大量營養(yǎng)元素復(fù)合（混）增效，而且中微量元素也參與其中。另外，將不同形態(tài)的養(yǎng)分諸如尿基氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮不同比例合理復(fù)合（混），來調(diào)節(jié)復(fù)合（混）肥養(yǎng)分的釋放與供應(yīng)模式，也成為肥料復(fù)合（混）增效的重要措施。造粒工藝一直是復(fù)合（混）肥生產(chǎn)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，在原有團(tuán)聚、擠壓造粒的基礎(chǔ)上，發(fā)展到氮化工藝、高塔工藝等造粒技術(shù)，使肥料的內(nèi)置和外觀品質(zhì)得到了很大的提升。2.2.2有機(jī)—無機(jī)復(fù)合（混）改性增效有機(jī)—無機(jī)復(fù)合（混）肥是肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的新秀，逐漸被產(chǎn)業(yè)界所重視。通過有機(jī)物料與化學(xué)肥料的復(fù)合（混）來調(diào)節(jié)優(yōu)化化學(xué)肥料養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、釋放和供應(yīng)模式，從而達(dá)到提高肥料養(yǎng)分利用率的目的，是有機(jī)—無機(jī)復(fù)合（混）肥料養(yǎng)分利用率的目的，是有機(jī)—無機(jī)復(fù)合（混）肥料增效的重要機(jī)制。有機(jī)—無機(jī)復(fù)合（混）肥料兼有有機(jī)肥料和無機(jī)肥料的雙重功效，不僅可以培肥地力和改善作物產(chǎn)量品質(zhì)，通過“以有機(jī)促無機(jī)”提高養(yǎng)分利用率，而且也是消納有機(jī)廢棄物資源的重要途徑，是我國未來肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。2.2.3配方肥料增效根據(jù)作物的需肥規(guī)律、土壤的養(yǎng)分狀況和供肥特性以及氣候特點(diǎn)，發(fā)展配方肥料和作物專用肥料，一是實(shí)現(xiàn)肥料增效的重要途徑，受到國內(nèi)外的高度重視。目前國際上配方肥料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，主要包括歐洲國家的大配方模式和美洲國家的BB肥小配方模式。我國配方肥料的發(fā)展，考慮到幅員遼闊，氣候、土壤和種植制度復(fù)雜多樣，以及小農(nóng)戶經(jīng)營等特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)區(qū)域配肥技術(shù)研究，走區(qū)域配方肥料發(fā)展的技術(shù)模式，研發(fā)不同生態(tài)區(qū)域的專用配方肥料，協(xié)調(diào)區(qū)域養(yǎng)分投入與產(chǎn)出平衡，保證作物高產(chǎn)，減少養(yǎng)分損失污染環(huán)境，最大限度提高飛了養(yǎng)分利用率。2.3磷肥的防固定改性增效磷在土壤中移動(dòng)性差，且易與土壤中的Fe3+、Al3+、Ca2+等金屬離子生成難溶性磷酸鹽類而失去其有效性，造成磷肥的當(dāng)季利用率非常低。因此，研究探討速效磷肥固定改性技術(shù)以及土壤無效、緩效性磷素的解吸促釋技術(shù)，成為磷肥增效研究的重要方向。2.4改善肥料功能增效通過肥料制作新技術(shù)，不斷拓展肥料的新功能，使肥料功能升級(jí)，提高肥料養(yǎng)分利用率，是21世紀(jì)新型肥料的重要方向之一【2】。研究開發(fā)將作物營養(yǎng)與其他限制作物高產(chǎn)的印刷相結(jié)合的多功能肥料，生產(chǎn)符合生態(tài)肥料工藝學(xué)的要求，施用技術(shù)凝聚農(nóng)學(xué)、土壤學(xué)、信息學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，可大幅度提高肥料的效率。這些功能性肥料主要包括：具有改善水分利用率的肥料、根系肥料、根系空間生長調(diào)控肥料、作物抗倒?fàn)罘柿?、防治雜草肥料、防病蟲害肥料等。3、腐植酸在肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)中的作用和地位3.1腐植酸的特性及其研究歷史腐植酸主要由碳、氧、氫、氮、硫等元素組成，在自然界廣泛存在于泥炭、褐煤和風(fēng)化煤中，是一種多價(jià)酚型芳香族化合物與氮化合物的縮聚物，分子量幾萬到幾百萬，結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，含有酚羥基、羥基、醇羥基、烯醇基、碳酸基、胺基、游離的醌基、半醒基、醌氧基、甲氧基等多種活性官能團(tuán)，這些活性基團(tuán)的存在，決定了腐植酸的酸性、親水性、離子交換性、絡(luò)合性和較高的吸附能力、緩沖能力催化能力。國內(nèi)外大量研究證明，腐植酸單獨(dú)作為肥料時(shí)肥效較低，而腐植酸與氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素結(jié)合則具有增強(qiáng)化肥的肥效，優(yōu)化養(yǎng)分釋放模式，提高肥料利用率，刺激作物生長，改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，改良土壤、保護(hù)和提升土地質(zhì)量等功能，在提升肥料產(chǎn)業(yè)水平中發(fā)揮重要作用。1786你，Achard分離出土壤腐植酸，至今已有200余年的歷史。腐植酸用于肥料研究工作開始于1877你，前蘇聯(lián)研究人員首先發(fā)現(xiàn)腐植酸具有分解磷酸鹽的能力。1902年，德國首先成功從泥炭中回收氮，并使之與含有腐植酸的物質(zhì)制成腐銨；1913年，英國的Bonomoley制成氮化腐植酸銨開始，西方國家就已經(jīng)開始進(jìn)行腐植酸肥料的研究和開發(fā)。我國對(duì)于腐植酸的研究始于20世紀(jì)50年代末，主要是從泥炭利用開始的。為解決化肥供應(yīng)短缺的問題，20世紀(jì)60、70年代全國掀起了利用腐植酸肥料和改良土壤的熱潮，不少科研單位、大專院校以及生產(chǎn)企業(yè)對(duì)腐植酸在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、醫(yī)藥、工業(yè)和環(huán)保等方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和研究工作；20世紀(jì)80年代后國內(nèi)腐植酸科學(xué)研究進(jìn)入緩慢發(fā)展時(shí)期；1995年以后，尤其是2000年以來，腐植酸肥料的研究，開始收到產(chǎn)業(yè)界的重視，科學(xué)界也開始重視理論和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。腐植酸肥料產(chǎn)業(yè)化得到較快的發(fā)展。3.2我國腐植酸的資源特點(diǎn)我國的腐植酸資源蛀牙分布于褐煤尤其是晚第三紀(jì)的年輕褐煤中，其次是分布于泥炭中。此外，我國廣泛分布數(shù)量巨大的風(fēng)化煤也是礦質(zhì)腐植酸的重要資源【3、4】。3.2.1泥炭腐植酸我國泥炭資源比較豐富，其面積約有104萬公頃，泥炭總儲(chǔ)量為124.8億噸，相對(duì)集中分布于西南若爾蓋高原、云貴高原、東部長江中下游平原、東北興安嶺、長白山和三江平原等地區(qū)。我國泥炭資源中含有豐富的腐植酸資源，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，泥炭資源中約有60%是屬于高腐植酸泥炭（腐植酸含量大于35%），中腐植酸泥炭（腐植酸含量25%~35%）約占30%，低腐植酸泥炭（腐植酸含量15%~25%）約占10%。3.2.2褐煤腐植酸我國有豐富的褐煤資源，儲(chǔ)量大約為1431億噸，占我國煤炭總量的17%。以內(nèi)蒙古東北部與東北三省相鄰地區(qū)的褐煤儲(chǔ)量為最多，達(dá)468.7億噸。3.2.3風(fēng)化煤腐植酸資源我國風(fēng)化煤資源分布廣、儲(chǔ)量打，到目前為止，全國風(fēng)化煤資源尚未進(jìn)行較系統(tǒng)的調(diào)查。就目前發(fā)現(xiàn)及初步情況分析，儲(chǔ)量是非常豐富的，特別是山西、新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江、江西、云南、四川、河南等省區(qū)。而大同=靈石、太遠(yuǎn)武家山、萍鄉(xiāng)麻山、云南陸良、新疆梧桐、內(nèi)蒙古公烏素、黑龍江鶴崗和七臺(tái)河的褐煤都是游離腐植酸含量達(dá)50%，灰分小于20%的優(yōu)質(zhì)風(fēng)化煤。據(jù)初步調(diào)查，陜西省有風(fēng)化煤資源80億噸，內(nèi)蒙古自治區(qū)有風(fēng)化煤資源50億噸，新疆南湖煤田有風(fēng)化煤資源3.5億噸。3.3腐植酸在提高肥料利用率和肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)中的作用3.3.1對(duì)氮肥的增效作用尿素是氮含量最高、農(nóng)業(yè)需求量最大、使用范圍最廣的氮素化肥。但施入土壤后，由于土壤脲酶和硝化菌的作用，使尿素很快分解、流失，其利用率只有35%作用，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，而且尿素分解轉(zhuǎn)化形成的硝酸鹽、亞硝酸鹽、氮氧化物研制污染環(huán)境。尿素施于土壤后慢走脲酶的作用下，使其水解為氮酸銨，其轉(zhuǎn)化速度隨溫度的增加而加快，在10℃時(shí)約需7～10d。20℃時(shí)約需4～5d，30℃時(shí)僅需2～3d。因此，抑制土壤中脲酶的活性，可以降低尿素在土壤在的水解速度，提高氮素的利用率。大量的研究證明【4～7】，來源于泥炭、風(fēng)化煤的天然腐植酸能夠抑制土壤中脲酶的活性，可以與國際上公認(rèn)的效果較好的脲酶抑制劑二元酶和醌類如氫醌、二氮基苯磷酸鹽五氯（PPD）等媲美，而且其在土壤中易降解，無殘留，被認(rèn)為是一種新型的環(huán)保型脲酶抑制劑。錢惠祥【8】研究得出，腐植酸對(duì)土壤中的脲酶活性的抑制率達(dá)8.8%～29.5%，可以使尿素的利用率提高7.2%～23.0%；陸欣【9】試驗(yàn)認(rèn)為，腐植酸施用后的2～40d內(nèi)，對(duì)脲酶活性的抑制效果與對(duì)苯二酚的效果相同或優(yōu)于苯二酚。且腐植酸處理的玉米粒產(chǎn)量比用對(duì)苯二酚處理的增產(chǎn)10.34%；李兆軍【10】試驗(yàn)結(jié)果表明，在玉米生育前期，有腐植酸的處理土壤脲酶活性均受到抑制，與普通尿素相比，腐植酸尿素處理土壤脲酶活性均受到抑制，與普通尿素相比，腐植酸尿素處理土壤的脲酶活性降低12.4%，氮素利用率提高12.8%。斯捷潘諾夫在深入研究了泥炭腐植酸與尿素相互作用之后，認(rèn)為腐植酸從尿素溶液中固定N（非交換吸附）是由腐植酸大分子的外圍部分（橋鍵）實(shí)現(xiàn)的，不涉及腐植酸核部分，但能形成牢固吸附（主要為化學(xué)吸附）。腐植酸與化學(xué)氮肥發(fā)生反應(yīng)形成腐植酸銨，其解離度比NH4HCO弱，更穩(wěn)定，因此它可使氮素?fù)]發(fā)、淋失顯著減少。國內(nèi)試驗(yàn)證明，等氮量的碳酸銨與腐植酸銨比較可使氮素?fù)]發(fā)損失由13.1%降到2.04%，肥效從20多天延長到60d以上。2000年以來，我國應(yīng)用風(fēng)化煤腐植酸等研制包膜型和基質(zhì)復(fù)合型緩釋氮肥，成為緩/控釋肥料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。3.3.2在提高磷肥利用率和磷肥產(chǎn)業(yè)升級(jí)等方面的作用腐植酸對(duì)磷肥作用主要表現(xiàn)在腐植酸及其氮解產(chǎn)物對(duì)速效磷的保護(hù)方面，減少土壤對(duì)速效磷的固定，促進(jìn)磷肥的吸收利用【5.9】。腐植酸對(duì)土壤磷的增效作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）絡(luò)合作用。磷肥在酸性土壤中很容易被土壤中的Fe3+、Al3+固定，生成不溶性Fe、Al磷酸鹽。腐植酸中的活性官能團(tuán)通過絡(luò)合或鰲合與土壤中的Fe3+、Al3+反應(yīng)生成絡(luò)合或鰲合物從而減少或避免了Fe3+、Al3+對(duì)磷的固定。在堿性土壤中，磷很容易被土壤中的Ca2+、Mg2+(一般為CaCO3)作用轉(zhuǎn)化成磷酸三鈣而被固定。腐植酸可以與Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等離子絡(luò)合而促使磷酸三鈣向磷酸二鈣和磷酸一鈣轉(zhuǎn)化。（2）離子交換吸附。腐植酸的陰離子在土壤礦物吸附中與磷酸根離子有競(jìng)爭(zhēng)作用，可減少磷酸根離子被礦物質(zhì)吸附。腐植酸可以通過共很強(qiáng)的負(fù)電性發(fā)生同晶代換，將被吸附的磷酸根離子從土壤礦物中取代出來。在這些過程中還伴有腐植酸與磷酸根離子形成可溶性螯合物，減少土壤對(duì)磷的固定。（3）膠體包被作用。腐植酸是一種性能很好的有機(jī)膠體，在Fe(OH)3、A(OH)3等的表明形成一種保護(hù)膜，減輕鐵鋁氫氧化物對(duì)磷酸根離子的吸附。（4）增加磷酸鹽移動(dòng)性，磷肥利用率低的原因之一是磷在土壤中擴(kuò)散速度很慢，移動(dòng)距離短，與根系接觸困難。試驗(yàn)證明，添加腐植酸可使磷在土壤中移動(dòng)距離增加一倍。腐植酸對(duì)根系的刺激作用增加；根系與磷肥接觸面積，有助于提高磷肥利用率。開發(fā)腐植酸在磷肥增效中的作用，提升磷肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，大幅度提高磷肥養(yǎng)分利用率，是推動(dòng)我國肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)的重要內(nèi)容。3.3.3腐植酸對(duì)鉀素營養(yǎng)的增效作用腐植酸對(duì)鉀的增效作用，主要表現(xiàn)在腐植酸酸性功能團(tuán)吸收和貯存鉀離子，既可以防止土壤鉀素隨水流失，又可以避免粘土礦物對(duì)鉀的固定。另外，腐植酸中的某些組分及一些低分子腐植酸對(duì)含鉀硅酸鹽、鉀長石等含鉀礦物有一定溶蝕作用，可緩慢分解而增加鉀的釋放，提高土壤有效鉀含量水平、3.3.4在微量元素肥料及液體肥料技術(shù)升級(jí)中的作用土壤中的微量元素及無機(jī)微肥多因難溶于水而難被作物吸收，化學(xué)鰲合微肥因螯合劑昂貴而難為農(nóng)民接受，HA類物質(zhì)作為一種源